基礎(chǔ)化學(xué)膠體講稿(ppt)課件

1、第五章 膠體Colloid內(nèi)容提要膠體分散系膠體分散系的制備膠體分散系的表面特性溶膠溶膠的基本性質(zhì)膠團(tuán)結(jié)構(gòu)及溶膠的穩(wěn)定性氣溶膠內(nèi)容提要高分子溶液高分子化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其溶液的形成聚電解質(zhì)溶液高分子溶液穩(wěn)定性的破壞高分子溶液的滲透壓和膜平衡凝膠表面活性劑和乳狀液表面活性劑締合膠體乳狀液教學(xué)基本要求掌握溶膠的基本性質(zhì)；膠團(tuán)結(jié)構(gòu)及表示式；溶膠的穩(wěn)定性因素及聚沉作用。 熟悉膠體分散系的特點(diǎn)；高分子溶液的穩(wěn)定性與破壞條件；表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在溶液中的狀態(tài)。了解膠體分散系、分散度的概念、膠體的制備方法；高分子溶液與溶膠的區(qū)別、高分子溶液的形成特點(diǎn) ；兩種類型的乳狀液、乳化作用。第一節(jié) 膠體分散系一

2、、膠體分散系的制備膠體分散系：膠體分散系包括溶膠 、高分子溶液 和締合膠體三類。 膠體的分散相的粒子的直徑大小為1-100 nm，可以是一些小分子、離子或原子的聚集體，也可以是單個(gè)的大分子。分散介質(zhì)可以是液體、氣體，或是固體。分散介質(zhì)分散相名 稱實(shí) 例氣體液體氣溶膠霧氣體固體氣溶膠煙液體氣體泡沫膠生奶油液體液體乳狀液牛奶液體固體溶膠油漆，細(xì)胞液固體氣體泡沫浮石固體液體凝膠果凍固體固體固體溶膠紅寶石玻璃第一節(jié) 膠體分散系一些膠體的例子 第一節(jié) 膠體分散系膠體的制備:分散法 1、研磨法 2、超聲波法 3、膠溶法 4、電弧法 凝聚法 1、物理凝聚法 2、化學(xué)凝聚法 例如：水解反應(yīng)FeCl3(稀溶液)

3、3H2O Fe(OH)3(溶 膠)3HCl 煮沸第一節(jié) 膠體分散系二、膠體分散系的特性分散度分散相在分散介質(zhì)中分散的程度，分散度常用比表面來表示。 比表面積 單位體積物質(zhì)所具有的表面積 第一節(jié) 膠體分散系比表面積 分散系的分散度(dispersion degree) 常用比表面積來衡量。 S0 = S/VS0 分散質(zhì)的比表面積，單位是m-1；S 分散質(zhì)的總表面積，單位是m2；V 分散質(zhì)的體積，單位是m3。 單位體積的分散質(zhì)表面積越大，即分散質(zhì)的顆粒越小, 則比表面積越大，體系的分散度越高。 第一節(jié) 膠體分散系表面能表面層分子比內(nèi)部分子多出一部分能量，稱為表面能。第一節(jié) 膠體分散系 內(nèi)部質(zhì)點(diǎn):同

4、時(shí)受到各個(gè)方向并且大小相近的作用力，它所受到的總的作用力為零。 物質(zhì)表面的質(zhì)點(diǎn):受到的來自各個(gè)方向的作用力的合力就不等于零。 表面能：表面質(zhì)點(diǎn)比內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)所多余的能量。 減少表面能的方法：吸附其他物質(zhì)、減少表面積。第一節(jié) 膠體分散系表面能液體有自動(dòng)縮小表面積的趨勢(shì)。小的液滴聚集變大，可以縮小表面積，降低表面能。表面積減小過程是自發(fā)過程。這個(gè)結(jié)論對(duì)固體物質(zhì)同樣適用。高度分散的溶膠比表面大，所以表面能也大，它們有自動(dòng)聚積成大顆粒而減少表面積的趨勢(shì)，稱為聚結(jié)不穩(wěn)定性。 第二節(jié) 溶膠溶膠的基本性質(zhì)溶膠的膠粒是由數(shù)目巨大的原子（或分子、離子）構(gòu)成的聚集體。直徑為1100nm的膠粒分散在分散介質(zhì)中?；咎匦?/p>

5、： 多相性、高度分散性、聚集不穩(wěn)定性第二節(jié) 溶膠溶膠的基本性質(zhì)溶膠的光學(xué)性質(zhì)Tyndall Effect上：溶液下：溶膠第二節(jié) 溶膠Tyndall現(xiàn)象產(chǎn)生的原因當(dāng)分散粒直徑入射光波長(zhǎng)，光波可繞過粒子前進(jìn)且迫使粒子振動(dòng)：二次波源向各方發(fā)射散射光。特性散射光強(qiáng)度與單位體積內(nèi)膠粒數(shù)成正比；散射光強(qiáng)度與膠粒體積成正比；散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)成反比；分散相與分散介質(zhì)折射率的差愈大，散射光愈強(qiáng)。第二節(jié) 溶膠第二節(jié) 溶膠溶膠的基本性質(zhì)溶膠的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)Brown Movement由于介質(zhì)分子的熱運(yùn)動(dòng)不斷地撞擊著膠體粒子所引起的現(xiàn)象。第二節(jié) 溶膠布朗(Brown)運(yùn)動(dòng): 溶膠中的分散相粒子的不停息的和無規(guī)則的運(yùn)動(dòng).

6、這種現(xiàn)象是植物學(xué)家(Brown)于1827年首先從水中懸浮花粉的運(yùn)動(dòng)中觀察到的. 用超顯微鏡可以觀察布朗運(yùn)動(dòng). 分散介質(zhì)分子處于無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 從各個(gè)方向不斷撞擊分散相粒子. 布朗運(yùn)動(dòng)是分子熱運(yùn)動(dòng)的必然結(jié)果, 是膠體粒子的熱運(yùn)動(dòng). 第二節(jié) 溶膠第二節(jié) 溶膠Brown運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生原因：處于熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的介質(zhì)分子不斷撞擊膠粒。某一瞬間膠粒受到各方撞擊力不均，向合力方向移動(dòng)。第二節(jié) 溶膠溶膠的基本性質(zhì)擴(kuò)散和沉降平衡擴(kuò)散：膠粒存在濃度差時(shí)，膠粒將從濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域移動(dòng)的現(xiàn)象稱擴(kuò)散。沉降：密度分散介質(zhì)的膠粒，在重力作用下下沉而與流體分離的過程稱沉降。第二節(jié) 溶膠沉降平衡：當(dāng)沉降速度=擴(kuò)散速度系

7、統(tǒng)達(dá)平衡，形成一個(gè)濃度梯度，此狀態(tài)稱沉降平衡。 第二節(jié) 溶膠溶膠的電學(xué)性質(zhì)電泳在外電場(chǎng)作用下，帶電膠粒在介質(zhì)中定向移動(dòng)的現(xiàn)象稱電泳。第二節(jié) 溶膠溶膠的電學(xué)性質(zhì)電滲在外電場(chǎng)作用下，液體介質(zhì)通過多孔膜向其所帶電荷相反的電極方向定向移動(dòng)的現(xiàn)象。第二節(jié) 溶膠膠團(tuán)結(jié)構(gòu)及溶膠的穩(wěn)定性 膠粒帶電原因膠核界面的選擇性吸附例如：制備氫氧化鐵溶膠 FeCl3 (l) +3H2O(l)Fe(OH)3 (s) +3HCl(l)溶液中部分Fe(OH)3與HCl作用， Fe(OH)3 (s) +HCl(l)FeOCl(l) +2H2O(l) FeOCl(l)FeO+ (aq) + Cl- (aq)第二節(jié) 溶膠膠團(tuán)結(jié)構(gòu)及溶

8、膠的穩(wěn)定性 膠粒帶電原因膠核表面分子的離解例如：硅膠的膠核由xSiO2.yH2O分子組成，表面的H2SiO3分子可以離解。 H2SiO3 (l) HSiO3- (aq) + H+ (aq) HSiO3- (aq) SiO32- (aq) + H+ (aq)第二節(jié) 溶膠膠粒的雙電層結(jié)構(gòu)膠團(tuán)結(jié)構(gòu)：例如，氫氧化鐵溶膠Fe(OH)3mnFeO+(n-x)Cl-x+xCl- 膠核 吸附層 擴(kuò)散層 膠粒 膠團(tuán) (AgI)m nAg (nx)NO3x+xNO3 膠核 電位離子 反離子 反離子 吸附層 擴(kuò)散層 膠粒 膠團(tuán)過量的稀AgNO3與稀KI溶液反應(yīng)制備的AgI溶膠AgI膠團(tuán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式： 第二節(jié) 溶膠第二節(jié)

9、 溶膠膠粒的雙電層結(jié)構(gòu)膠核表面因荷電而結(jié)合水，吸附的反離子也水合，給膠粒覆蓋了一層水合膜。膠粒運(yùn)動(dòng)時(shí)水合膜層以及膜層內(nèi)的反離子一起運(yùn)動(dòng)。這部分水合膜層稱為吸附層；其余反離子呈擴(kuò)散狀態(tài)分布在吸附層周圍，形成與吸附層荷電性質(zhì)相反的擴(kuò)散層。這種由吸附層和擴(kuò)散層構(gòu)成的電性相反的兩層結(jié)構(gòu)稱為擴(kuò)散雙電層。第二節(jié) 溶膠溶膠的穩(wěn)定因素 膠粒帶電兩個(gè)帶電膠粒間存在靜電排斥力，阻止膠粒接近，合并變大。但是，加熱溶膠，膠粒的動(dòng)能增大到能克服靜電斥力時(shí)就會(huì)聚沉。膠粒表面的水合膜猶如一層彈性膜，阻礙膠粒相互碰撞合并變大。水合膜層愈厚，膠粒愈穩(wěn)定。Brown運(yùn)動(dòng)也是溶膠穩(wěn)定因素之一。4、溶膠的聚沉：膠體分散系中的分散質(zhì)從

10、分散劑中分離出 來的過程。影響溶膠聚沉的因素主要有：（1）電解質(zhì)對(duì)溶膠的聚沉作用 （2）溶膠的互聚 （3）長(zhǎng)時(shí)間加熱 三種溶膠聚沉. (左)Al(OH)3; (中)Fe(OH)3; (右)Cu(OH)2 第二節(jié) 溶膠第二節(jié) 溶膠電解質(zhì)作用加電解質(zhì)，迫使反離子更多進(jìn)入吸附層，擴(kuò)散層變薄，穩(wěn)定性下降。上：Cl-離子圍繞Fe(OH)3膠粒下：PO43-離子圍繞Fe(OH)3膠粒 第二節(jié) 溶膠溶膠的互聚：兩種帶有相反電荷的溶膠按適當(dāng)比例相互混合，溶膠同樣會(huì)發(fā)生聚沉。例： 明礬凈水作用。 天然水中膠態(tài)的懸浮物大多帶負(fù)電，明礬在水中水解產(chǎn)生的Al(OH)3溶膠帶正電，它們相互聚沉而使水凈化。第二節(jié) 溶膠臨

11、界聚沉濃度：臨界聚沉濃度：一定量溶膠在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生聚沉所需電解質(zhì)的最小濃度負(fù)離子聚沉正溶膠；正離子聚沉負(fù)溶膠；反離子電荷大，聚沉能力強(qiáng)；同價(jià)離子聚沉能力接近，但 正離子：H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+ 負(fù)離子：F- Cl-Br-I- CNS-一些有機(jī)物離子具有非常強(qiáng)的聚沉能力。不同電解質(zhì)對(duì)幾種溶膠的臨界聚沉濃度mmolL-1 As2S2(負(fù)溶膠)AgI(負(fù)溶膠)Al2O3(正溶膠)LiCl58LiNO3165NaCl43.5NaCl51NaNO3140KCl46KCl49.5KNO3136KNO360KNO350RbNO3126CaCl20.65Ca(NO3)22.40K2SO40

12、.30MgCl20.72Mg(NO3)22.60K2Cr2O70.63MgSO40.81Pb(NO3)22.43K2C2O40.69AlCl30.093Al(NO3)30.067K3Fe(CN)60.081/2Al2(SO4)20.096La(NO3)30.069Al(NO3)20.095Ce(NO3)30.069第二節(jié) 溶膠Shulze-Hardy規(guī)則電解質(zhì)對(duì)溶膠的聚沉作用，有如下規(guī)律： 反離子的價(jià)數(shù)愈高，聚沉能力愈強(qiáng)；一價(jià)、二價(jià)、三價(jià)反離子的臨界聚沉濃度之比近似為(1/1)6:(1/2)6:(1/3)6=100:1.8:0.14即臨界聚沉濃度與離子價(jià)數(shù)的六次方成反比。第二節(jié) 溶膠高分子化合

13、物對(duì)溶膠的保護(hù)作用(a)和敏化作用(b)第二節(jié) 溶膠氣溶膠（aerosol）由極小的固體或液體粒子懸浮在氣體介質(zhì)中所形成的分散系統(tǒng)稱為氣溶膠。圖示是各種氣溶膠的分散相粒子直徑的大致范圍。煙、霧的分散度較高，粉塵的分散度低，后者穩(wěn)定性要差些。第二節(jié) 溶膠霧霾：霧是指大氣中因懸浮的水汽凝結(jié)、能見度低于1公里時(shí)的天氣現(xiàn)象；灰霾的形成主要是空氣中懸浮的大量微粒和氣象條件共同作用的結(jié)果.第二節(jié) 溶膠霾與霧的區(qū)別：發(fā)生霾時(shí)相對(duì)濕度不大，而霧中的相對(duì)濕度是飽和的(如有大量凝結(jié)核存在時(shí)，相對(duì)濕度不一定達(dá)到100%就可能出現(xiàn)飽和）。霧霾天氣是一種大氣污染狀態(tài)，霧霾是對(duì)大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的籠統(tǒng)表述，尤其

14、是PM2.5（空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5微米的顆粒物）被認(rèn)為是造成霧霾天氣的“元兇”。第二節(jié) 溶膠霧霾的源頭：多種多樣，比如汽車尾氣、工業(yè)排放、建筑揚(yáng)塵、垃圾焚燒，甚至火山噴發(fā)等等，霧霾天氣通常是多種污染源混合作用形成的。但各地區(qū)的霧霾天氣中，不同污染源的作用程度各有差異。第二節(jié) 溶膠霧霾的危害：隨著空氣質(zhì)量逐漸惡化，霧霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)頻率越來越高，它們?cè)谌藗兒翢o防范的時(shí)候侵入人體呼吸道和肺葉中，從而引起呼吸系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病、血液系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等疾病，諸如咽喉炎、肺氣腫、哮喘、鼻炎、支氣管炎等炎癥，長(zhǎng)期處于這種環(huán)境還會(huì)誘發(fā)肺癌、心肌缺血及損傷. 第三節(jié) 高分子溶液高分子化合物概念：

15、單個(gè)分子相對(duì)分子量在一萬以上的大分子。 蛋白質(zhì)、核酸、糖原、存在體液中重要物質(zhì) ；人體肌肉、組織；又如天然 橡膠等 據(jù)來源 可分為天然的和合成的第三節(jié) 高分子溶液高分子溶液與溶膠性質(zhì)比較膠體物質(zhì)相同性質(zhì)不同性質(zhì)溶膠分散相粒子大小1100nm擴(kuò)散速率慢不能透過半透膜多相Tyndall現(xiàn)象明顯熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)電解質(zhì)敏感高分子溶液均相Tyndall現(xiàn)象微弱熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)電解質(zhì)不太敏感締合膠體均相熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)第三節(jié) 高分子溶液高分子化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及溶液的形成結(jié)構(gòu)特征：一般具有碳鏈，碳鏈由大量稱為鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)單位連接而成，鏈節(jié)重復(fù)的次數(shù)叫聚合度，以n表示。天然橡膠 鏈節(jié)為異戊二烯單位(-C5H8-

16、) 。纖維素、淀粉、糖原或高分子右旋糖酐，鏈節(jié)為葡萄糖單位(-C6H10O5-)，通式(C6H10O5)n。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位是氨基酸。第三節(jié) 高分子溶液高分子化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及溶液的形成結(jié)構(gòu)特征：高分子化合物是不同聚合度的同系物分子組成的混和物，它的聚合度和相對(duì)分子質(zhì)量指的都是平均值。高分子化合物分子鏈的長(zhǎng)度以及鏈節(jié)的連接方式并不相同，因而形成線狀或分枝狀結(jié)構(gòu)。第三節(jié) 高分子溶液柔性和分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)內(nèi)旋轉(zhuǎn)：分子鏈中許多C-C單鍵， C原子以sp3雜化，單鍵能在鍵角不變條件下繞鍵軸旋轉(zhuǎn)。柔性：內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致碳鏈構(gòu)型改變，高分子長(zhǎng)鏈兩端的距離也隨之改變。第三節(jié) 高分子溶液高分子溶液的形成 溶脹：溶劑進(jìn)入高

17、分子鏈，導(dǎo)致化合物舒展，體積成倍增長(zhǎng)。高分子化合物先溶脹，后溶解。與水分子親和力很強(qiáng)的高分子化合物形成水合膜：穩(wěn)定性的主要原因。上：高分子化合物在良溶劑下：高分子化合物在不良溶劑中第三節(jié) 高分子溶液聚電解質(zhì)溶液蛋白質(zhì)等高分子化合物在水溶液中往往以離子形式存在，稱為聚電解質(zhì)（polyelectrolyte）特征：鏈上有荷電基團(tuán)很多電荷密度很大對(duì)極性溶劑分子的親合力很強(qiáng)分為陽(yáng)離子、陰離子、兩性離子三類。 第三節(jié) 高分子溶液等電狀態(tài)和等電點(diǎn)(isoelectric point) pI恰好使高分子上(蛋白質(zhì))所帶正電荷量與負(fù)電荷量相等時(shí)溶液的pH，稱為等電點(diǎn)。第三節(jié) 高分子溶液等電狀態(tài)和等電點(diǎn)(iso

18、electric point) pIpH pI，蛋白質(zhì)形成負(fù)離子。pH C6H5O73-C4H4O62-CH3COO-CI-NO3-Br-I-CNS-NH4+K+Na+Li+第三節(jié) 高分子溶液高分子溶液的穩(wěn)定與破壞于蛋白質(zhì)溶液中加入與水作用強(qiáng)烈的有機(jī)溶劑也能降低蛋白質(zhì)的水合程度，蛋白質(zhì)因脫水而沉淀。對(duì)少量電解質(zhì)不太敏感高分子溶解：高度水化系統(tǒng)，加少電解質(zhì)不足以破壞水合層。第三節(jié) 高分子溶液高分子溶液的滲透壓和膜平衡高分子溶液的滲透壓 將高分子溶液與溶劑用半透膜隔開，可產(chǎn)生滲透現(xiàn)象；滲透壓數(shù)值不符合vant Hoff公式；濃度改變時(shí)，滲透壓的增加比濃度的增加要大得多。原因：高分子鏈的空隙間束縛著

19、大量溶劑，濃度增大，單位體積內(nèi)溶劑的有效分子數(shù)明顯減小。 第三節(jié) 高分子溶液高分子溶液的滲透壓 高分子溶液滲透壓與溶液的質(zhì)量濃度B(gL-1)的關(guān)系：B是常數(shù)。通過測(cè)定，以/B對(duì)B作圖得直線，外推至B 0時(shí)截距為RT/Mr。 第三節(jié) 高分子溶液膜平衡或Donnan平衡用半透膜隔開，小離子能透過而聚電解質(zhì)離子不能，但為保持溶液的電中性，平衡時(shí)小離子在膜兩側(cè)分布不均勻。第三節(jié) 高分子溶液平衡時(shí)，v進(jìn)= v出c(Na+)外c(Cl-)外 = c(Na+)內(nèi)c(Cl-)內(nèi)當(dāng)c1c2時(shí)，x0，膜外幾乎一點(diǎn)也不透入膜內(nèi)。當(dāng)c2c1時(shí)，x c2/2 ，膜內(nèi)外NaCl濃度近似相等。 當(dāng)c2=c1時(shí)，x c2/3，1/3的NaCl透入膜內(nèi)。第三節(jié) 高分子溶液凝膠高分子溶液粘度變大，失去流動(dòng)性，形成有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的半固態(tài)物質(zhì)，稱為凝膠（gel）。剛性凝膠：粒子間交聯(lián)強(qiáng)，網(wǎng)狀骨架堅(jiān)固，若將其干燥，網(wǎng)孔中的液體可被驅(qū)出，凝膠的體積和外形無明顯變化。彈性凝膠：由柔性高分子化合物形成，干燥后，體積明顯縮小，有彈性，再放到合適的液體中，它又會(huì)溶脹變大，甚至完全溶解。